Optisches Polymerelement zum Ankoppeln von Photo¬ elementen an integriert-optische SchaltungenOptical polymer element for coupling photo elements to integrated optical circuits
Die Erfindung betrifft ein optisches Polymerelement nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches und findet vorzugsweise Anwendung bei der Ankopplung geeigne¬ ter Photodioden an Bauelementen der Integrierten Optik.The invention relates to an optical polymer element according to the preamble of the main claim and is preferably used for coupling suitable photodiodes to components of integrated optics.
Der zunehmende Einsatz integriert-optischer Kompo¬ nenten für die optische Nachrichtentechnik, für die Sensorik und den Computerbereich läßt der optischen Anschlußtechnik eine immer größere Bedeutung zukom¬ men.The increasing use of integrated optical components for optical communications technology, for sensors and for the computer sector means that optical connection technology is becoming increasingly important.
Bauelemente der Integrierten Optik (10) für die op¬ tische Nachrichtentechnik (Wellenlängenbereich 1300 bis 1550 nm) wie auch für die optische Sensorik (üblicherweise im Wellenlängenbereich 633-850 nm) benötigen an der Schnittstelle zwischen optischer und elektronischer Signalverarbeitung eine opto¬ elektronische Signalwandlung. Dies geschieht bei¬ spielsweise durch Einkoppeln des Signallichtes in eine Photodiode mit entsprechender spektraler Empfindlichkeit (z.B. für die optische Nachrichten¬ technik InP-Co pounds, für die Sensorik Si-Photo- dioden) .
Der übliche Weg der Ankopplung einer Photodiode an einen optischen Lichtwellenleiter besteht in einer direkten Ankopplung der Photodiode an das Wellen¬ leiterende ("Stoßkopplung") . Die Lichtenergie wird dabei vollständig in die Diode geführt und dort in elektronische Anregungszustände überführt. Daneben kann auch ein optischer Wellenleiter schwach mit einer Photodiode gekoppelt werden, indem lediglich seine evaneszenten Feldanteile in die Diode über¬ koppeln ("Leckwellenkopplung") - die Größe der elektronischen Signalantwort ist hierbei eine Funk¬ tion von Koppelstärke und Koppellänge. Alternativ kann ferner ein Lichtwellenleiter durch einen opti¬ schen Halbleiterverstärker (im wesentlichen eine Halbleiterlaserdiode mit entspiegelten Endflächen) hindurchgeführt werden und der Abbau der Ladungs¬ trägerinversion über die äußere Stromversorgung der Verstärkerdiode als elektronisches Signal abge¬ griffen werden.Components of the integrated optics (10) for optical communications technology (wavelength range 1300 to 1550 nm) as well as for optical sensors (usually in the wavelength range 633-850 nm) require opto-electronic signal conversion at the interface between optical and electronic signal processing. This is done, for example, by coupling the signal light into a photodiode with a corresponding spectral sensitivity (for example, for the optical communication technology InP-Co pounds, for the sensor system Si photo diodes). The usual way of coupling a photodiode to an optical fiber is to directly couple the photodiode to the end of the waveguide ("butt coupling"). The light energy is completely conducted into the diode and converted into electronic excitation states there. In addition, an optical waveguide can also be weakly coupled to a photodiode by merely coupling its evanescent field components into the diode ("leaky wave coupling") - the size of the electronic signal response is a function of coupling strength and coupling length. Alternatively, an optical waveguide can also be passed through an optical semiconductor amplifier (essentially a semiconductor laser diode with anti-reflective end faces) and the degradation of the charge carrier inversion can be tapped off as an electronic signal via the external power supply of the amplifier diode.
Die bekannten Bauelemente haben den Nachteil, daß sie nur relativ aufwendig herzustellen sind.The known components have the disadvantage that they are only relatively expensive to manufacture.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße optische Polymerelement nach den Kennzeichen des Hauptanspruches bietet demge¬ genüber den Vorteil, daß eine einfachste Kopplung und Befestigung von Photoelementen an integriert¬ optische Polymerlichtwellenleiter möglich ist, das Polymerelement kompatibel mit planar integrierter Elektronik ist und durch massenhafte Herstellung große Kostenvorteile erzielt werden.
Dazu wird zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Photoelement ein Koppelelement, vorzugsweise eine Pufferschicht vorgesehen, wobei die Pufferschicht im Bereich des Photoelementes einen Brechungsindex aufweist, der kleiner oder gleich dem Brechungs¬ index des Lichtwellenleiters, aber größer als der Brechungsindex der Pufferschicht außerhalb des Be¬ reiches des Photoelementes ist.The optical polymer element according to the invention, according to the characterizing part of the main claim, offers the advantage over that the simplest coupling and fastening of photo elements to integrated optical polymer optical waveguides is possible, the polymer element is compatible with planarly integrated electronics and large cost advantages are achieved through mass production. For this purpose, a coupling element, preferably a buffer layer, is provided between the optical waveguide and the photo element, the buffer layer in the area of the photo element having a refractive index which is less than or equal to the refractive index of the optical waveguide, but greater than the refractive index of the buffer layer outside the area of the photo element.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Further advantageous refinements are specified in the subclaims.
Eine bevorzugte Lösung ist, wenn die Photodioden in geeignete Substrate (z.B. Silicium) durch Dif¬ fusionsprozesse und/oder Ionenimplantation direkt planar und monolithisch integriert werden. Die elektrische Verdrahtung erfolgt vorteilhaft direkt auf dem Chip. Um optische Lichtwellenleiter auf einen solcherart elektronisch prozessierten Chip aufzubringen,-- wird zunächst eine optische Puf¬ ferschicht mit geringerem Brechungsindex als die lichtführende Schicht aufgebracht. Darauf folgt die lichtführende Polymerschicht mit den lateral struk¬ turierten Lichtwellenleitern und darüber optional eine obere Abdeckschicht geringeren Brechungsindex. Ist nun die Pufferschicht optisch dünn (Dicke < 1/e-Abfall der Feldverteilung) , so greifen die evaneszenten Feldanteile bis ins Substrat und führen zu starken Intensitätsverlusten. Ist um¬ gekehrt die Pufferschicht optisch dick (Dicke >> 1/e-Abfall der Feldverteilung) so wird auch im Bereich der Photodiode kein Licht in diese eingekoppelt.
Die notwendige hohe und lokale Ankopplung des Lichtwellenleiters an die Photodiode wird nun da¬ durch erreicht, daß die "optisch isolierende" Puf¬ ferschicht lokal über dem empfindlichen Fenster der Photodiode optisch so veränderbar ist, daß die evaneszenten Felder lokal weit über die Puffer¬ schicht hinaus- (und in die Photodiode hinein-) ragen können. Dazu kann die Pufferschicht so mas¬ kiert werden, daß eine lokale Ionendiffusion oder Ionenimplantation nur den Brechungsindex in einem gewünschten Fenster über der Photodiode anhebt. Die Maskierung wird nach dem Prozeß entfernt und die Lichtwellenleiter- und Deckschicht aufgebracht. Der Koppelgrad des Lichtwellenleiters kann über die Indexänderung in der Pufferschicht eingestellt wer¬ den.A preferred solution is if the photodiodes are integrated directly and planarly and monolithically into suitable substrates (for example silicon) by means of diffusion processes and / or ion implantation. The electrical wiring is advantageously carried out directly on the chip. In order to apply optical light waveguides to such an electronically processed chip, an optical buffer layer with a lower refractive index than the light-guiding layer is first applied. This is followed by the light-conducting polymer layer with the laterally structured optical waveguides and, optionally, an upper covering layer with a lower refractive index. If the buffer layer is now optically thin (thickness <1 / e drop in the field distribution), the evanescent field components reach into the substrate and lead to severe loss of intensity. Conversely, if the buffer layer is optically thick (thickness >> 1 / e drop in the field distribution), no light is coupled into the photodiode in the area either. The necessary high and local coupling of the optical waveguide to the photodiode is now achieved in that the "optically isolating" buffer layer can be optically changed locally over the sensitive window of the photodiode so that the evanescent fields locally far over the buffer layer can protrude (and into the photodiode). For this purpose, the buffer layer can be masked such that local ion diffusion or ion implantation only raises the refractive index in a desired window above the photodiode. The mask is removed after the process and the optical waveguide and cover layer are applied. The degree of coupling of the optical waveguide can be set via the index change in the buffer layer.
Eine vorteilhafte Möglichkeit der Realisierung bietet eine Polymerschicht (z.B. PMMA als optischer Puffer) mit -photopolymersierbaren Zusätzen (z.B. Benzildimethylketal) . Hier kann der Brechungsindex der Pufferschicht lokal über der Photodiode durch einfache UV-Belichtung in Maskentechnik angehoben werden. Durch UV-Belichtung von Strukturen variier¬ ter Dichte (Graukeil) kann der Index darüber hinaus auch räumlich allmählich verändert werden, wenn In¬ dexsprünge und evtl. resultierende Störungen der Monomodigkeit des Wellenleiters vermieden werden sollen. Abhängig vom Photopolymerisationsverhalten des optischen Puffers kann dabei entweder ein Indexprofil des Puffers in Wellenleiterlängs¬ richtung erzeugt werden (d.h. leicht erhöhter Bre¬ chungsindex an den Rändern der Photodiode, stärker
erhöhter Index über dem Detektionsfenster der Diode) oder ein räumliches Tiefenprofil der Index¬ erhöhung in der Pufferschicht (d.h. oberflächliche Indexerhöhung an den Diodenrändern, tiefergreifende Indexerhöhung über dem Detektionsfenster der Diode => "vertikaler Taper") erzeugt werden.An advantageous possibility of implementation is provided by a polymer layer (for example PMMA as an optical buffer) with photopolymerizable additives (for example benzil dimethyl ketal). Here the refractive index of the buffer layer can be raised locally above the photodiode by simple UV exposure using mask technology. The index can also be gradually changed spatially by UV exposure of structures of varying density (gray wedge) if index jumps and possibly resulting disturbances in the monomode of the waveguide are to be avoided. Depending on the photopolymerization behavior of the optical buffer, either an index profile of the buffer in the longitudinal direction of the waveguide can be generated (ie a slightly higher refractive index at the edges of the photodiode, stronger) increased index above the detection window of the diode) or a spatial depth profile of the index increase in the buffer layer (ie superficial index increase at the diode edges, deeper index increase above the detection window of the diode =>"verticaltaper").
In beiden Grenzfällen (Mischungen sind möglich) bewirkt der über der Photodiode leicht angehobene Brechungsindex dort eine schwächere Führung des Lichtes, gleichbedeutend mit einer verbreiterten Feldverteilung in Richtung auf die Diode. Durch adiabatische Indexänderungen (z.B. Graukeil-Belich¬ tungen) wird dabei die Störung der Führungs¬ eigenschaften hinreichend klein gehalten, um die Monomodigkeit des Wellenleiters zu bewahren - dies ist wichtig, wenn das Signal an der Photodiode vorbeigeschleift werden (und durch die Detektion lediglich geschwächt) werden soll oder wenn das Signal in optischen Resonatoren wellenlängen¬ selektiv eingekoppelt werden soll, ohne die Moden¬ verteilung im Resonator massiv zu beeinflussen.In both borderline cases (mixtures are possible), the refractive index, which is slightly raised above the photodiode, results in weaker guidance of the light, which is equivalent to a widened field distribution in the direction of the diode. The adiabatic index changes (eg gray wedge exposures) keep the disturbance of the guiding properties sufficiently small to preserve the monomode of the waveguide - this is important if the signal is looped past the photodiode (and is only weakened by the detection) ) or if the signal is to be coupled into wavelengths in optical resonators selectively without having a massive influence on the mode distribution in the resonator.
Die Pufferschicht kann darüber hinaus selbst auch lateral photostrukturiert werden, indem eine spitz zulaufende Taperstruktur mit leicht erhöhtem Index in dieselbe hineinbelichtet wird. Auch in diesem Falle wird durch die Indexmanipulation der Puffer¬ schicht das Lichtfeld eines darüberliegenden Wel¬ lenleiters allmählich (durch adiabatisches Ein¬ schalten der Störung) nach unten in Richtung auf die Diode ausgedehnt. Wird der Brechungsindex der Pufferschicht im getaperten Bereich gar höher ein¬ gestellt als der des darüberliegenden Lichtwellen¬ leiters, so wird das Lichtfeld vollständig aus dem
Wellenleiter abgezogen und der Diode zugeführt werden.The buffer layer can also itself be laterally photostructured by exposing a tapered taper structure with a slightly increased index into it. In this case too, the index manipulation of the buffer layer gradually extends the light field of an overlying waveguide (by adiabatic activation of the disturbance) towards the diode. If the refractive index of the buffer layer in the tapered area is set even higher than that of the optical waveguide lying above it, the light field is completely removed from the Waveguide are withdrawn and fed to the diode.
Der Lichtwellenleiter wird anschließend an die Indexmanipulation der Pufferschicht, wie oben be¬ schrieben, in der darüberliegenden Schicht struk¬ turiert. Wesentlich ist hier die prinzipielle Mög¬ lichkeit, beliebig vorprozessierte und verdrahtete Elektronikchips nachträglich mit einer polymeren "optischen Verbindungsebene" zu überschichten, was aufgrund der geringen notwendigen Prozeßtempera¬ turen zur Herstellung polymerer Lichtwellenleiter ohne Störung der elektronischen Bauelemente erfol¬ gen kann.After the index manipulation of the buffer layer, as described above, the optical waveguide is structured in the layer above. What is essential here is the basic possibility of subsequently overlaying any preprocessed and wired electronic chips with a polymeric “optical connection level”, which can be done without disturbing the electronic components due to the low process temperatures required for producing polymer optical fibers.
Erfindungsgemäß ist weiterhin, wenn Lichtwellen¬ leiter in Form kleiner, präzisionsgefertigter Grä¬ ben auf einer "MasterStruktur" vordefiniert werden und durch eine galvanotechnische Abformung zum Formeinsatz (Werkzeug) für Spritzguß- oder Spritz¬ prägeverfahren weiterverarbeitet werden. Damit wird eine massenproduzierbare Vervielfältigung optischer Lichtwellenleiterbauelemente möglich. Die kleinen Gräben in den geprägten "Tochterεtrukturen" (Polymer-Substrate) werden zur Fertigstellung eines vollpolymeren Bauelementes mit höherbrechendem optischem Polymer aufgefüllt (Kanalwellenleiter) und mit einer polymeren (niederbrechenden) Deckel¬ platte (Superstrat) nach oben abgeschlossen. Die Deckelplatte kann beispielsweise aus dem selben Material wie die Wellenleiter-Tochterεtrukturen be¬ stehen und dann ein passives Bauelement definieren. Die Deckelplatte kann aber auch hybrid eingesetzte
elektronische Bauelemente (z.B. Photodioden) tra¬ gen, die dann optisch an die Lichtwellenleiter angekoppelt werden können. Dazu wird für die Deckelplatte eine geeignete Masterstruktur mit Auf¬ nahmeöffnungen für die elektronischen Bauelemente hergestellt. Dies kann durch anisotropes Prä¬ zisionsätzen von Aufnahmevertiefungen in Silicium- wafern oder auch durch sogenannte Röntgen¬ tiefenlithographie in PMMA-Materialien erfolgen. Die Deckelstrukturen können hiervon wie die Licht¬ wellenleiter galvanisch abgeformt und in Spritz¬ guß/Spritzprägeverfahren vervielfältigt werden.It is also in accordance with the invention if optical waveguides in the form of small, precision-made trenches are predefined on a "master structure" and are further processed by means of an electroplating molding for use in molds (tools) for injection molding or injection molding processes. This enables mass-production duplication of optical fiber optic components. The small trenches in the embossed "daughter structures" (polymer substrates) are filled with a higher refractive index optical polymer (channel waveguide) and a polymeric (low refractive) cover plate (superstrate) is closed at the top to complete a fully polymer component. The cover plate can, for example, be made of the same material as the waveguide daughter structures and then define a passive component. The cover plate can also be used hybrid carry electronic components (eg photodiodes) which can then be optically coupled to the optical waveguide. For this purpose, a suitable master structure with receiving openings for the electronic components is produced for the cover plate. This can be done by anisotropic precision etching of recesses in silicon wafers or by so-called X-ray depth lithography in PMMA materials. Like the optical waveguides, the cover structures can be electroplated from this and reproduced in injection molding / injection molding processes.
Die Photodioden (und gegebenenfalls weitere Bau¬ elemente) werden einzeln (oder vorzugsweise als Detektorarray) in die Vertiefungen der Deckelplatte eingesetzt und befestigt. Vor dem paßgenauen Zusam¬ menfügen der so vorbereiteten Deckelplatte und der Grundplatte mit den optischen Lichtwellenleitern (in Form kleiner Gräben mit eingefülltem, höherbrechendem Flüssigpolymer) , muß eine optische Pufferschicht zwischen die Lichtwellenleiter und die Elektronik in der Deckelplatte eingearbeitet werden, die eine optische Kopplung über die evaniszenten Feldanteile nur im Bereich der Dioden¬ eintrittsfenster erlaubt.The photodiodes (and possibly further components) are inserted and fastened individually (or preferably as a detector array) into the depressions in the cover plate. Before the cover plate and base plate prepared in this way fit together with the optical light waveguides (in the form of small trenches with filled, higher refractive index liquid polymer), an optical buffer layer must be worked in between the light waveguides and the electronics in the cover plate, which via optical coupling the evaniscent field components are only allowed in the area of the diode entry window.
Hierfür bieten sich zwei vorteilhafte Wege an:There are two advantageous ways of doing this:
a) Die elektrische Verdrahtung der Elektronik er¬ folgt durch Abscheidung entsprechender Leiterbahnen auf der bestückten Deckelplatte. Darüber wird eine
Polymerschicht (Index wie Deckelplatte) mit photo- polymerisierbaren Beimischungen als optischer Puf¬ fer aufgebracht. Durch lokale UV-Belichtung (Maskentechnik) kann der Index im Bereich der Pho¬ todiode, wie oben beschrieben, mit oder ohne Taper- strukturen so eingestellt werden, daß hier - und nur hier - im fertig montierten Bauelement die Lichtankopplung möglich ist.a) The electrical wiring of the electronics is carried out by depositing corresponding conductor tracks on the populated cover plate. Beyond that Polymer layer (index like cover plate) with photo-polymerizable admixtures applied as an optical buffer. By means of local UV exposure (mask technique), the index in the region of the photodiode, as described above, can be set with or without taper structures so that here - and only here - the light coupling is possible in the fully assembled component.
b) Die Herstellung der elektrischen Leiterbahnen erfolgt auf einer Seite einer dünnen Polymerfolie. Diese muß als optische Pufferschicht geeignet sein, d.h. geringe Dämpfung und einen Brechungsindex kleiner dem der Wellenleiter aufweisen (optische Foliendicke >> 1/e-Abfall der opt. Felder) . Die Folie könnte beispielsweise aus dem gleichen Material bestehen, aus dem auch Tochterstrukturen und Deckelstrukturen gefertigt werden. Bei Dicken im μm-Bereich wird diese Folie vorzugsweise zunächst durch eine Trägerfolie stabilisiert.b) The electrical conductor tracks are produced on one side of a thin polymer film. This must be suitable as an optical buffer layer, i.e. low attenuation and a refractive index less than that of the waveguide (optical film thickness >> 1 / e drop in the optical fields). The film could, for example, consist of the same material from which daughter structures and lid structures are also made. For thicknesses in the μm range, this film is preferably first stabilized by a carrier film.
Die Pufferfolie wird mit den elektrischen Leiter¬ bahnen auf die Deckelplatte auflaminiert, um so eine Kontaktierung der elektronischen Baugruppen zu gewährleisten (danach kann die rückseitige Träger¬ folie abgezogen werden) .The buffer film is laminated onto the cover plate with the electrical conductor tracks in order to ensure contacting of the electronic assemblies (the backing film on the back can then be removed).
Der Brechungsindex der Pufferfolie kann nun im Be¬ reich der Diodenfenster durch Diffusions- oder Im¬ plantationsprozesse bzw. durch UV-Belichtungen (bei entsprechend vernetzbaren Oligomeren in der Folie) wieder lokal angehoben und damit der Koppelgrad eingestellt werden. Wieder stehen die verschiedenen Möglichkeiten lateralen und vertikalen Taperns zur Verfügung.
Es kann jedoch auch in vorteilhafter Weise mittels eines entsprechend geformten Prägewerkzeugs eine thermoplastische Folie im Bereich der Diodenfenster heiß geprägt werden. Daraus resultiert eine durch die Prägewerkzeuge definierte, lokal geringfügig dünnere Schichtdicke des optischen Puffers und daraus letztlich eine stärkere Feidankopplung in den gewünschten Bereichen. Die Feldverteilungen sind wiederum mit den bereits genannten qualita¬ tiven Verläufen vergleichbar.The refractive index of the buffer film can now be locally raised again in the region of the diode window by diffusion or implantation processes or by UV exposures (with correspondingly crosslinkable oligomers in the film), and the degree of coupling can thus be set. Again the different possibilities of lateral and vertical taping are available. However, a thermoplastic film can also be hot-stamped in the region of the diode window in an advantageous manner by means of a correspondingly shaped stamping tool. This results in a locally slightly thinner layer thickness of the optical buffer defined by the embossing tools and ultimately a stronger field coupling in the desired areas. The field distributions are in turn comparable with the qualitative profiles already mentioned.
Abschließend wird das komplette Bauelement paßgenau zusammengefügt, so daß die Photodiodenfenster genau über den zugehörigen Lichtwellenleitern zu liegen kommen. Das höherbrechende Polymer in den Lichtlei¬ tergräben kann dabei als thermisch- oder UV-ver- netzender Kleber ausgebildet sein und so die mecha¬ nische Verbindung der Baugruppen gewährleisten. Gleichzeitig werden durch dieses Flüssigpolymer eventuelle Dickenunterschiede zur Deckelplatte, beispielsweise im Falle geprägter Pufferfolien, ausgeglichen. Die Pufferfolie kann mit ihren auf¬ gebrachten Leiterbahnen seitlich über die Deckel¬ platte hinausstehen und eine einfache elektrische Kontaktierung nach außen ermöglichen.Finally, the complete component is assembled with a precise fit, so that the photodiode windows come to lie exactly over the associated optical fibers. The higher refractive index polymer in the light guide trenches can be designed as a thermally or UV-crosslinking adhesive and thus ensure the mechanical connection of the assemblies. At the same time, this liquid polymer compensates for any differences in thickness from the cover plate, for example in the case of embossed buffer films. With its applied conductor tracks, the buffer film can protrude laterally beyond the cover plate and allow simple electrical contacting to the outside.
Im Sinne der Erfindung ist weiterhin, wenn ein Lichtwellenleiter, der beispielsweise durch lokale Photopolymerisation, durch sogenanntes "UV- Bleaching" oder durch eine andere Struk- turierungstechnik in einem organischen Polymerfilm hergestellt wurde, durch einen optisch höher¬ brechenden, transparanten Klebstoff (z.B. UV-poly- merisierende Kleber) an die Photodiode angekoppelt
wird. Diese befindet sich mit ihrer photoempfind¬ lichen Seite direkt über dem nach oben nicht abgedeckten Lichtwellenleiter. Durch Wahl des Brechungsindex, der Dicke und der Fläche (Länge in Wellenleiterrichtung) des Polymerklebers kann der Grad der optischen Ankopplung eingestellt werden. Je nach Koppelgrad kann das Licht aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt (und im verlust¬ freien Grenzfall in die Photodiode eingekoppelt) werden, oder aber nur geringfügig geschwächt werden, um beispielweise aus einem Datenbus Signale abzugreifen, ohne dessen optische Transparenz zu beeinflussen. Ein geeigneter Koppelabstand kann durch die Formgebung der Diode eingestellt werden. Der optische Kleber dient gleichzeitig sowohl der optischen Ankopplung wie auch der mechanischen Fixierung. Der gesamte Chip kann nachträglich mit einer niederbrechenden Deckschicht vergossen und geschützt werden.It is also within the meaning of the invention if an optical waveguide, which has been produced in an organic polymer film, for example by local photopolymerization, by so-called "UV bleaching" or by another structuring technique, by an optically higher-refractive, transparent adhesive (for example UV polymerizing adhesive) coupled to the photodiode becomes. Its photosensitive side is located directly above the optical waveguide which is not covered at the top. The degree of optical coupling can be set by selecting the refractive index, the thickness and the area (length in the waveguide direction) of the polymer adhesive. Depending on the degree of coupling, the light can be decoupled from the optical waveguide (and coupled into the photodiode in the loss-free limit case), or can only be weakened slightly, for example to tap signals from a data bus without affecting its optical transparency. A suitable coupling distance can be set by the shape of the diode. The optical adhesive serves both for optical coupling and for mechanical fixing. The entire chip can subsequently be encapsulated and protected with a low-refractive cover layer.
Als Anwendungsbeispiele seien etwa integriert¬ optische Weg-/Winkelsensoren oder nachrichtentech¬ nische Empfängerstationen genannt, die so in ko¬ stengünstiger Weise montiert werden können. Im Fal¬ le einer wellenlängenselektiven Detektion müßten die Signale hier durch wellenlängenselektive Kopp¬ ler oder integriert-optische Resonatoren auf dem optischen Chip ausgefiltert und dem Photoempfänger zugeführt werden.Examples of applications include integrated optical displacement / angle sensors or communications technology receiver stations, which can thus be installed in a cost-effective manner. In the case of a wavelength-selective detection, the signals would have to be filtered out by wavelength-selective couplers or integrated optical resonators on the optical chip and fed to the photo receiver.
Die Erfindung soll nachfolgend in Ausführungs- beispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 perspektivisch die prinzipielle Ankopplung einer Photodiode;The invention will be explained in more detail below in exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it: Figure 1 is a perspective view of the basic coupling of a photodiode;
Figur 2 einen Schnitt durch die Kopplungsstelle gemäß Figur 1;FIG. 2 shows a section through the coupling point according to FIG. 1;
Figur 3 eine Ankoppelstelle an einem weiteren Beispiel in Draufsicht;Figure 3 shows a coupling point on another example in plan view;
Figur 4 einen Schnitt durch die Ankoppelstelle gemäß Figur 3;FIG. 4 shows a section through the coupling point according to FIG. 3;
Figur 5 eine Ankoppelstelle gemäß Figur 3 mit einem getaperten Pufferbereich;5 shows a coupling point according to FIG. 3 with a tapered buffer area;
Figur 6 einen Schnitt durch die Ankoppelstelle gemäß Figur 5;FIG. 6 shows a section through the coupling point according to FIG. 5;
Figur 7 perspektivisch ein Polymerwellenleiter¬ bauelement vor der Montage;FIG. 7 shows a perspective view of a polymer waveguide component before assembly;
Figur 8 einen Schnitt durch das Polymerwellen¬ leiterbauelement gemäß Figur 7 im montierten Zustand;FIG. 8 shows a section through the polymer waveguide component according to FIG. 7 in the assembled state;
Figur 9 perspektivisch ein Polymerwellenleiter¬ bauelement mit integrierter Photodiode vor der Montage;FIG. 9 shows a perspective view of a polymer waveguide component with an integrated photodiode before assembly;
Figur 10 einen Schnitt durch das Polymerwellen¬ leiterbauelement gemäß Figur 9 im montierten Zustand;
Figur 11 perspektivisch ein weiteres Polymerwellen¬ leiterbauelement mit integrierter Photo¬ diode vor der Montage;FIG. 10 shows a section through the polymer waveguide component according to FIG. 9 in the assembled state; FIG. 11 shows a perspective view of a further polymer waveguide component with an integrated photo diode before assembly;
Figur 12 einen Schnitt durch das Polymerwellen¬ leiterbauelement gemäß Figur 11 im montierten Zustand;FIG. 12 shows a section through the polymer waveguide component according to FIG. 11 in the assembled state;
Figur 13 einen Schnitt durch ein weiteres Polymer¬ wellenleiterbauelement mit integrierter Photodiode undFIG. 13 shows a section through a further polymer waveguide component with an integrated photodiode and
Figur 14 einen Schnitt durch ein weiteres Polymer¬ wellenleiterbauelement mit integrierter Photodiode.FIG. 14 shows a section through a further polymer waveguide component with an integrated photodiode.
In allen Figuren werden gleiche Teile, auch sinn¬ gemäß gleiche Teile, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.In all the figures, the same parts, also the same parts, are denoted by the same reference symbols.
Figur 1 zeigt einen Lichtwellenleiter 20, der in einem auf einer Substratplatte 21 vorgesehenen Polymerfilm 22 angeordnet ist. Auf den Lichtwellen¬ leiter 20 ist eine Photodiode 23 mittels eines Polymerklebers 24 aufgeklebt.FIG. 1 shows an optical waveguide 20 which is arranged in a polymer film 22 provided on a substrate plate 21. A photodiode 23 is glued onto the optical waveguide 20 by means of a polymer adhesive 24.
In Figur 2 wird deutlicher, daß die Photodiode 23 einen bestimmten Abstand zum Polymerfilm 22 und damit zum Lichtwellenleiter 20 besitzt. Dieser Ab¬ stand wird durch die Abstandshalter 25 bestimmt. Zwischen Substratplatte 21 und Polymerfilm 22 ist eine Pufferschicht 26 vorgesehen. Die Photodiode 23 ist mit ihrer photoempfindlichen Seite direkt über
dem Lichtwellenleiter 20 angeordnet. Das gesamte Bauelement ist mit einer Deckschicht 27 vergossen. Für die Brechungsindexe der einzelnen Bestandteile gelten folgende Beziehungen:It becomes clearer in FIG. 2 that the photodiode 23 is at a certain distance from the polymer film 22 and thus from the optical waveguide 20. This distance is determined by the spacers 25. A buffer layer 26 is provided between the substrate plate 21 and the polymer film 22. The photodiode 23 is directly over with its photosensitive side the optical fiber 20 arranged. The entire component is cast with a cover layer 27. The following relationships apply to the refractive indices of the individual components:
Der Brechungsindex ng der Deckschicht 27 und der Brechungsindex n4 der Pufferschicht 26 ist kleiner oder gleich dem Brechungsindex n3 des Polymerfilms 22. Der Brechungsindex n^ des Lichtwellenleiters 20 ist größer als n3. Der Brechungsindex
desThe refractive index ng of the cover layer 27 and the refractive index n4 of the buffer layer 26 is less than or equal to the refractive index n 3 of the polymer film 22. The refractive index n ^ of the optical waveguide 20 is greater than n 3 . The refractive index of
Polymerklebers 24 ist kleiner oder gleich dem Brechungsindex n^ des Lichtwellenleiters 20.Polymer adhesive 24 is less than or equal to the refractive index n ^ of the optical waveguide 20.
Die prinzipielle Funktionsweise ist folgende:The principle of operation is as follows:
Ein durch den Lichtwellenleiter 20 geleiteter Lichtimpuls wird entsprechend dem eingestellten Brechungsindex sowie der Dicke und der Länge des Polymerklebers 24 aus dem Lichtwellenleiter 20 aus¬ gekoppelt, je nach Einsatz teilweise oder voll¬ ständig, und der Photodiode zugeführt, die dort ihre vorherbestimmte Funktion ausführt. Die Ab¬ standshalter 25 können auf die Photodiode 23 aufge¬ brachte und beispielsweise galvanisch auf die gewünschte Dicke (=Abstand) verstärkte Metall¬ flächen sein, die gleichzeitig als Leiterbahnen zur Fortführung des Signals der Photodiode 23 dienen.A light pulse conducted through the optical waveguide 20 is decoupled from the optical waveguide 20 in accordance with the set refractive index and the thickness and length of the polymer adhesive 24, depending on the application, partially or completely, and fed to the photodiode, which performs its predetermined function there. The spacers 25 can be applied to the photodiode 23 and can, for example, be galvanically reinforced metal surfaces to the desired thickness (= distance), which at the same time serve as conductor tracks for continuing the signal of the photodiode 23.
Das in den Figuren 3 und 4 gezeigte Beispiel be¬ steht aus einer in einer Substratplatte 21 in¬ tegrierten Photodiode 23, über die getrennt durch eine Pufferschicht 30 der Lichtwellenleiter 20 verläuft. Die Pufferschicht 30 besitzt einen Be¬ reich 31, der direkt zwischen dem Lichtwellenleiter
20 und dem photoempfindlichen Fenster der Photodiode 23 angeordnet ist.The example shown in FIGS. 3 and 4 consists of a photodiode 23 integrated in a substrate plate 21, via which the optical waveguide 20 runs separately through a buffer layer 30. The buffer layer 30 has a region 31 which is directly between the optical waveguide 20 and the photosensitive window of the photodiode 23 is arranged.
Für die Brechungsindexe gelten folgende Be¬ ziehungen:The following relationships apply to the refractive indices:
Der Brechungsindex TΪQ der Deckschicht 27 ist klei¬ ner oder gleich dem Brechungsindex n3 der Puffer¬ schicht 30, der wiederum kleiner als der Brechungs¬ index n2 des Bereiches 31 ist, welcher kleiner als der Brechungsindex n^ des Lichtwellenleiters 20 ist. In 32 ist die qualitative Feldverteilung außerhalb des Bereiches 31 gezeigt. Der Lichtimpuls wird innerhalb des Lichtwellenleiters 20 geführt. Die qualitative Feldverteilung im Bereich 31, hier mit 33 bezeichnet, macht deutlich, daß durch den höheren Brechungsindex der Pufferschicht 30 die evaneszenten Feldanteile lokal weit über die Puf¬ ferschicht 30 hinaus-, und damit in das photo¬ empfindliche Fenster der Photodiode 23 hineinragen. Damit wird die beabsichtigte Detektionsfunktion der Photodiode 23 ausgelöst.The refractive index TΪ Q of the cover layer 27 is smaller than or equal to the refractive index n 3 of the buffer layer 30, which in turn is smaller than the refractive index n 2 of the region 31, which is smaller than the refractive index n ^ of the optical waveguide 20. The qualitative field distribution outside the region 31 is shown in FIG. The light pulse is guided within the optical waveguide 20. The qualitative field distribution in the region 31, here designated 33, makes it clear that the higher refractive index of the buffer layer 30 means that the evanescent field components locally extend far beyond the buffer layer 30 and thus protrude into the photosensitive window of the photodiode 23. The intended detection function of the photodiode 23 is thus triggered.
In den Figuren 5 und 6 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem analogen Aufbau gemäß den Figuren 3 und 4 gezeigt, wie der Bereich 31 ge- tapert ist. Auf der linken Seite ist in 40 ein ver¬ tikaler Taper und auf der rechten Seite in 41 ein lateraler Taper schematisch gezeigt (in konkreten Bauelementen wird dann entweder die eine oder die andere Taperform auf beiden Diodenseiten verwen¬ det) .FIGS. 5 and 6 show in a preferred embodiment with an analog structure according to FIGS. 3 and 4 how area 31 is tapered. A vertical taper is shown schematically on the left side in 40 and a lateral taper is shown schematically on the right side in 41 (either the one or the other taper shape is then used on both diode sides in specific components).
Im Bereich 40 besitzt der Taper an den Rändern der
Photodiode 23 einen leicht erhöhten Brechungsindex und über dem photoempfindlichen Fenster der Photo¬ diode 23 einen stärker erhöhten Brechungsindex. Der Verlauf der Brechungsindexerhöhung ist mit der Linie 42 angedeutet. Der Taper kann jedoch auch einen lateral zugespitzten Verlauf, wie im Bereich 41 gezeigt, haben. Hier nimmt der Brechungsindex in lateraler Richtung bis zum Auslaufen des Tapers außerhalb der Photodiode 23 ab. Für die Verhält¬ nisse der Brechungsindexe und der qualitativen Feldverteilung gilt das bereits zu den Figuren 3 und 4 Gesagte.In the area 40, the taper has the on the edges Photodiode 23 has a slightly increased refractive index and a more elevated refractive index above the photosensitive window of the photo diode 23. The course of the refractive index increase is indicated by line 42. However, the taper can also have a laterally tapered course, as shown in region 41. Here the refractive index decreases in the lateral direction until the taper runs out outside the photodiode 23. What has already been said about FIGS. 3 and 4 applies to the relationships of the refractive indices and the qualitative field distribution.
Die weiteren Beispiele beziehen sich auf voll- polymere Bauelemente, die in Abformtechnik herge¬ stellt werden.The further examples relate to fully polymeric components which are produced using impression technology.
Der prinzipielle Aufbau von vollpolymeren Bauele¬ menten ist in den Figuren 7 und 8 verdeutlicht. In einer Grundplatte 50 aus Polymersubstrat werden in präzisionsgefertigten Größen höherbrechende op¬ tische Polymere eingegossen, die den Lichtwellen¬ leiter 20 bilden. Die Grundplatte 50 wird mit einer Deckelplatte 51, die aus dem selben Polymersubstrat wie die Grundplatte 50 bestehen kann, abgedeckelt. Die Verbindung erfolgt mittels eines Flüssig¬ polymers 52, das identisch mit dem Polymer des Lichtwellenleiters 20 sein kann.The basic structure of fully polymeric components is illustrated in FIGS. 7 and 8. Highly refractive optical polymers, which form the optical waveguide 20, are cast into a base plate 50 made of polymer substrate in precision-made sizes. The base plate 50 is covered with a cover plate 51, which can consist of the same polymer substrate as the base plate 50. The connection is made by means of a liquid polymer 52, which can be identical to the polymer of the optical waveguide 20.
Wie in den Figuren 9 und 10 gezeigt, wird eine Pho¬ todiode 23 in eine Vertiefung 53 der Deckelplatte 51 eingesetzt. Zwischen der Grundplatte 50 bzw. dem Kleber 52 und der Deckelplatte 51 wird eine opti¬ sche Pufferschicht 54 angeordnet. Die optische Puf¬ ferschicht 54 besitzt einen Bereich 55, der nur in
diesem Bereich eine Kopplung zwischen dem Lichtwel¬ lenleiter 20 und der Photodiode 23 zuläßt. Der Be¬ reich 55 kann wiederum wie bereits der in den Figu¬ ren 3 bis 6 beschriebene Bereich 31, also ohne oder mit TaperStrukturen, ausgebildet sein. Die elektri¬ schen Anschlußbahnen 56 der Photodiode 23 werden auf der bestückten Deckelplatte 51 nach außen ge¬ führt.As shown in FIGS. 9 and 10, a photodiode 23 is inserted into a depression 53 in the cover plate 51. An optical buffer layer 54 is arranged between the base plate 50 or the adhesive 52 and the cover plate 51. The optical buffer layer 54 has an area 55 which is only in this area permits coupling between the optical waveguide 20 and the photodiode 23. The area 55 can in turn be formed like the area 31 described in FIGS. 3 to 6, that is to say without or with taper structures. The electrical connecting tracks 56 of the photodiode 23 are guided outwards on the equipped cover plate 51.
Die Brechungsindexe der einzelnen Bereiche verhal¬ ten sich analog zu den in den Figuren 1 bis 4 be¬ schriebenen, wobei die Brechungsindexe von Sub¬ stratplatte 50 und Deckelplatte 51 kleiner oder gleich dem Brechungsindex der Pufferschicht 54 sind.The indices of refraction of the individual regions behave analogously to those described in FIGS. 1 to 4, the indices of refraction of substrate plate 50 and cover plate 51 being less than or equal to the refractive index of the buffer layer 54.
Ein durch den Lichtwellenleiter 20 kommender Licht¬ impuls wirkt mit seinen evaneszenten Feldanteilen im Bereich des photoaktiven Fensters der Photodiode 23, und nur hier, durch die Pufferschicht 54 hin¬ durch und löst in der Photodiode 23 die gewünschte Schaltfunktion aus, die über die Anschlußbahnen 56 abgegriffen werden kann.A light pulse coming through the optical waveguide 20 acts with its evanescent field components in the area of the photoactive window of the photodiode 23, and only here, through the buffer layer 54 and triggers the desired switching function in the photodiode 23, which via the connecting tracks 56 can be tapped.
Ein weiteres Beispiel ist in den Figuren 11 und 12 dargestellt. Die elektrischen Anschlußbahnen 56 der Photodiode 23 werden auf einer dünnen Polymerfolie angelegt, die gleichzeitig als optische Puffer¬ schicht 54 dient. Die Folie wird vor der Montage auf die Deckelplatte 51 paßgenau auflaminiert. Alle weiteren Bestandteile und Funktionen sind bereits zu den anderen Beispielen ausführlich beschrieben.Another example is shown in FIGS. 11 and 12. The electrical connection tracks 56 of the photodiode 23 are applied to a thin polymer film which also serves as an optical buffer layer 54. The film is laminated on the cover plate 51 with a precise fit before assembly. All other components and functions have already been described in detail for the other examples.
Das Beispiel gemäß Figur 13 weist eine optische Pufferschicht 54 in Form einer Folie, wie in den Figuren 11 und 12 beschrieben, auf, die im Bereich
des photoaktiven Fensters geprägt wurde. Die Prä¬ gung ist derart durchgeführt, daß sich ein Bereich 60 ergibt, der eine lokal definierte geringfügig dünnere Schichtdicke der Pufferschicht 54 ergibt. Durch die Einstellung dieser Schichtdicke wird die Ankopplung der Photodiode 23 an den Lichtwellen¬ leiter 20 in bereits beschriebener Art und Weise eingestellt.The example according to FIG. 13 has an optical buffer layer 54 in the form of a film, as described in FIGS. 11 and 12, which is in the region of the photoactive window. The embossing is carried out in such a way that an area 60 results which produces a locally defined, slightly thinner layer thickness of the buffer layer 54. By setting this layer thickness, the coupling of the photodiode 23 to the optical waveguide 20 is set in the manner already described.
In weiterer Ausgestaltung, wie in Figur 14 gezeigt, kann neben der beschriebenen Indexmanipulation der Pufferschicht 54, welche dieselbe "optisch dünner" und damit für die Lichtwellen durchgängig ge¬ staltet, die Lichteintrittsfläche der Photodiode 23 auch geometrisch näher an den Lichtwellenleiter herangeführt werden. Dazu kann die Photodioden¬ struktur, im Beispiel wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine InP-basierende Technologie be¬ schrieben, selektiv über dem Lichteintrittsfenster mit einer InP-Deckschicht 70 überwachsen werden, welche typischerweise 0,2 bis 1 μm dick sein kann. Wird über eine solche Diodenstruktur ein planari- εierender Polymerpuffer 54 und darauf der Lichtwel¬ lenleiter 20 aufgebracht, so wird die Pufferwirkung im Bereich des Diodeneintrittsfensters deutlich re¬ duziert und wegen des höheren Brechungsindex der Halbleitermaterialien (typisch n 3,5) wird das evaneszente Licht aus dem Lichtwellenleiter heraus¬ gezogen und dem lichtempfindlichen p/n-Übergang der Halbleiterdiode zur Detektion zugeführt.In a further embodiment, as shown in FIG. 14, in addition to the described index manipulation of the buffer layer 54, which makes it “optically thinner” and thus consistently designed for the light waves, the light entry surface of the photodiode 23 can also be brought closer geometrically to the optical waveguide. For this purpose, the photodiode structure, an InP-based technology is described in the example without restricting generality, can be selectively overgrown with an InP cover layer 70 over the light entry window, which can typically be 0.2 to 1 μm thick. If a planarizing polymer buffer 54 and the optical waveguide 20 are applied over such a diode structure, the buffer effect in the area of the diode entry window is significantly reduced and because of the higher refractive index of the semiconductor materials (typically n 3.5) the evanescent light pulled out of the optical waveguide and fed to the light-sensitive p / n junction of the semiconductor diode for detection.
Dieser geometrische Effekt der Photodiode, welche in die Pufferschicht hineinragt, kann im bereits beschriebenen Sinne zusätzlich mit photopolymeri- εierten, getaperten Strukturen in der Pufferschicht kombiniert werden.
This geometric effect of the photodiode, which projects into the buffer layer, can additionally be combined with photopolymerized, tapered structures in the buffer layer in the sense already described.